持續(xù)占據(jù)工業(yè)及汽車CIS市場全球第一，安森美是如何做到的？

編輯：芯智訊-浪客劍

7月8日，在2024年上海機器視覺展暨機器視覺技術及工業(yè)應用研討會期間，工業(yè)及汽車CMOS圖像傳感器（CIS）及功率半導體大廠安森美召開媒體會，介紹了安森美在工業(yè)領域的CIS產品布局，并展示了其最新的面向工業(yè)的CIS產品解決方案。

工業(yè)及汽車CIS市場第一！SiC器件市場第二！

作為全球領先的半導體制造商，安森美起源于摩托羅拉的標準產品半導體業(yè)務，1999年從摩托羅拉分拆出來成為了名為“安森美半導體”（ON Semiconductor）的獨立公司。2016年安森美半導體又收購了半導體行業(yè)的鼻祖——仙童半導體（Fairchild Semiconductor）。安森美通過一系列收購和強勁的內部發(fā)展，成為一家頂級的半導體制造商，并在汽車、工業(yè)和云電源等多個市場和技術領域取得領先地位。2021年，為了更好地反映其廣泛的技術組合、差異化的產品線和市場領導地位，安森美半導體正式更名為安森美（onsemi）。

目前安森美的業(yè)務主要分為工業(yè)和汽車兩大板塊，提供了80,000余種元器件產品，主要包括圖像傳感器、功率半導體（包括MOSFET、IGBT模塊、碳化硅系列產品）等。其中，圖像傳感器主要應用于汽車、機器視覺、機器人和工業(yè)自動化等領域；碳化硅系列（EliteSiC） 和其他功率半導體主要應用于汽車、充電基礎設施和替代能源等領域。另外，在汽車領域，安森美還擁有用于 ADAS 的激光雷達(LiDAR)，用于汽車 CPU、LED 照明和車身電子的電源管理等。

憑借領先的技術和完整的產品線，安森美在汽車及工業(yè)CIS市場一直是全球第一大供應商，在SiC器件市場也同樣的是位于全球前列。

根據(jù)Yole Group的報告顯示，在2023年汽車CIS市場，安森美半導體繼續(xù)保持領先地位，占據(jù)了全球超過33%的市場份額，其次是中國的豪威集團（27%）和日本的索尼（14%）。

根據(jù)市場研究機構TrendForce集邦咨詢最新發(fā)布的研究報告顯示，受益于純電動汽車應用需求的增長，2023年全球SiC（碳化硅）功率元件市場保持了強勁成長，其中意法半導體（ST）以32.6%市占率位居第一，安森美則由2022年的第四名躍居第二名，市場份額為23.6%。

根據(jù)安森美在此次媒體會上公布的數(shù)據(jù)也顯示，在2023年的工業(yè)應用的CIS市場，安森美也以31%的市場份額穩(wěn)居全球第一，CIS大廠索尼（30%）也只能曲居第二。

值得一提的是，在用于自動駕駛和停車輔助的超聲波傳感器市場，安森美也是排名第一。

45年的圖像傳感器研發(fā)歷史

安森美之所以能夠在汽車及工業(yè)CIS市場持續(xù)占據(jù)著全球第一的市場份額，則與其在圖像傳感器領域多年的內部研發(fā)和持續(xù)并購密不可分。

據(jù)介紹，安森美在圖像傳感器領域擁有超過45年的技術經(jīng)驗，最早可以追溯到其收購的Truesense公司的前身——柯達的圖像傳感器部門，柯達科學家Bryce Bayer所發(fā)明的拜耳陣列正是圖像傳感器的基礎技術之一。

2011年，安森美收購了Cypress半導體的CMOS圖像傳感器業(yè)務部。Cypress的定制CMOS傳感器用于ARRI 專業(yè)數(shù)字攝影機上，采用ARRI攝影機、鏡頭和燈光系統(tǒng)拍攝的電影屢次獲得奧斯卡各類最佳影片、最佳攝影等獎項。

2014年安森美又收購了Aptina，其前身更是CMOS圖像傳感器的發(fā)明者Eric Fossum創(chuàng)立的首家將CMOS商業(yè)化的公司Photobit。

2018年，安森美通過收購SiPM和SPAD供應商SensL，成功幫助安森美擴展其在3D成像、雷達和LiDAR（激光雷達）領域的技術實力。

可以說，通過這一些列的收購，再加上內部的持續(xù)研發(fā)，使得安森美擁有非常強大的圖像傳感器技術積累（專利數(shù)已經(jīng)超過了2300項）和豐富的產品組合，最終才奠定了其在汽車及工業(yè)圖像傳感器市場的領導地位。

安森美的工業(yè)圖像傳感器產品布局

由于安森美在此次上海機器視覺展上主要展示的是工業(yè)CIS產品及解決方案，因此，安森美在此次媒體會上主要介紹的也是其面向工業(yè)的圖像傳感器產品布局。

安森美的工業(yè)CIS產品線主要分為全局快門和卷簾快門兩大產品線。

全局快門圖像傳感器的工作原理是將整個畫面同時曝光，然后整個畫面可以同時轉換為數(shù)字信號，這種工作方式的好處是曝光時間快，所以很適合高速、準確抓拍等場景的需求。全局快門CIS在當今的機器視覺領域已十分常見，因為它在具備上述眾多優(yōu)勢的同時，還與CCD傳感器和卷簾快門圖像傳感器擁有相同的光學性能。目前全局快門圖像傳感器主要是在較低分辨率的市場中大面積取代了CCD和卷簾快門，并且在向高分辨率方向發(fā)展。

卷簾式快門與全局快門在工作原理上略有區(qū)別，卷簾式快門的工作原理是將畫面分割成尺寸大小相同的條狀，然后從上到下逐條曝光，逐條轉為數(shù)字信號。由于是逐條曝光，所以可能會導致畫面出現(xiàn)動態(tài)模糊的果凍效應（jello effect）或拖影。所以，卷簾式快門很難滿足高速、準確的識別要求。

總結來說，全局快門具有更高的響應速度和更清晰的圖像質量，適合拍攝快速運動的物體，但是所需要的傳感器面積更大、功耗相對更高、成本也更為昂貴。相比之下，卷簾快門CIS可以在更小的尺寸內實現(xiàn)更高的像素分辨率，并且價格也比較親民。

1、全局快門CIS

目前，安森美面向工業(yè)市場全局快門圖像傳感器產品線主要有三大系列，22款產品。其中，PYTHON系列主要支持最高速度、NIR 增強；XGS系列則是功能更豐富，可提供最佳圖像質量，并且全系列支持Pin to Pin；Hyperlux SG系列則擁有卓越的微光性能和eHDR，并可提供最具成本效益的解決方案。

具體來說，XGS系列一個尺寸支持從 2MP 到 16MP 的所有分辨率，另一個尺寸支持從 20MP 到 45MP 的所有分辨率，并且具有相同的“外觀和使用體驗”（IP 重用），支持Pin to Pin全引腳兼容，可以幫助客戶快速進行產品的升級迭代，并縮短上市時間。此外，XGS系列還具有超低功耗的優(yōu)勢，與競爭產品相比，功耗可降低達2倍，這也使得其更易于進行熱管理，成本也相對較低。目標應用領域包括：通用機器視覺、電池檢測、半導體檢測、智能交通系統(tǒng) (ITS)、廣播（ 8K at 60fps ）等。

PYTHON系列擁有業(yè)界領先的幀速率，在 ROI 讀取的情況下，所有 PYTHON 系列器件都有“二次方增速”特性（在窗口的寬度(x) 減小的情況下，幀率也會增加）， 默認幀率足夠高，可涵蓋大多數(shù)應用；分辨率范圍從 VGA 到 25MP，擁有 8 種分辨率可選，并可選方形和矩形長寬比，可充分利用可用視場 (FOV)，多種分辨率和速度等級，可提供經(jīng)濟有效的成像方案；各種分辨率產品之間也具有引腳兼容性，一個尺寸支持從 300KP 到 1.3MP 的所有分辨率，第二個尺寸支持從 2MP 到 5MP 的所有分辨率，第三個尺寸覆蓋從 16MP 到 25MP 的所有分辨率，并且所有 PYTHON 系列器件也都具有相同的“外觀和使用體驗”（IP 重用），可以幫助客戶快速的進行產品升級、縮短產品上市時間。目標應用領域是通用機器視覺、電池檢測、半導體檢測、智能交通系統(tǒng) (ITS)、 鐵路檢測（受電弓）等。

Hyperlux SG系列擁有同類最佳的全局快門效率，對于角速度較快的物體的應用至關重要，可以最大限度減少因振動產生的問題；擁有專為工業(yè)而設計的功能和模式，包括可編程和可切換的 ROI。支持自動曝光和控制，以適應動態(tài)照明。支持觸發(fā)器和頻閃控制，以實現(xiàn)精確主動照明。具備低功耗特性，適合電池供電設備。擁有 VGA、1MP、2 MP三種分辨率可選。在應用方面，適用于通用機器視覺、掃描、生物識別技術、機器人（包括無人機）、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、工廠自動化等。

此外，安森美面向工業(yè)市場全局快門圖像傳感器產品當中，還擁有支持深度信息感知的Hyperlux ID系列。目前Hyperlux ID系列只有一款產品，即內置深度影射的1.2MP智能iToF。

據(jù)安森美智能感知事業(yè)群工業(yè)及消費應用感知部產品線總監(jiān)Danny Scheffer介紹，之所以選擇做iToF，而不是蘋果等廠商選擇的dToF，是由于iToF的覆蓋范圍比iToF（一般是5米左右）更遠，可以遠20米以上，深度距離長，環(huán)境光抑制能力也更強，可以支持在戶外工作。

另外，這款Hyperlux ID系列產品采用了1.2MP 全局快門 BSI 像素，深度分辨率（1280×960）和準確度更高；結合獨特的集成和讀出結構以及全局快門和片上存儲功能，可以減少運動偽影；另外在傳感器端還集成了深度處理單元，無需幀存儲器和 FPGA 或外部計算能力，即可完成對于深度信息的計算，最大支持120fps@VGA。得益于這款產品的高集成度，這也使得其不僅尺寸更小、系統(tǒng)成本也更低。

2、卷簾快門CIS

同樣，安森美面向工業(yè)市場卷簾快門圖像傳感器產品線也主要有Hyperlux LP、Hyperlux LH、Hyperlux 三大系列。

其中，Hyperlux LP系列采用堆棧式架構，1.4 微米 BSI 像素，可實現(xiàn)超小的傳感器尺寸和超低功耗。同時，還支持運動喚醒（WOM）功能，可以進一步降低功耗；并且支持智能感興趣區(qū)域 (SmartROI)功能，可以大幅節(jié)省帶寬。

據(jù)安森美智能感知事業(yè)群工業(yè)及消費應用感知部產品線經(jīng)理Jason Wang介紹，支持運動喚醒功能的傳感器，在未檢測到運動物體時，可以以低分辨率、最低幀速率運行，這樣可以極大的降低工作的功耗，傳感器功耗將低于2 mW。當檢測到有運動物體時（探測距離可達8米），它將會進入運動喚醒模式，快速切換到原本設定的工作分辨率和幀率。并且，它還能夠屏蔽與應用無關的運動區(qū)域，避免干擾，實現(xiàn)更加的準確和高效。

至于SmartROI功能，則可支持多個感興趣區(qū)域 (ROI)，可以在大幅減少帶寬的情況下提供場景的上下文視圖，并能夠以原始細節(jié)提供單獨的 ROI，并且支持雙路MIPI輸出。如果以2000萬像素的傳感器為例，如果支持SmartROI則可以把帶寬從 600MPix/s 降至 45MPix/s，即可提升約 15 倍的傳輸速度，加快安防攝像頭的檢測時間，提升用戶視頻會議的體驗。

Hyperlux LH系列采用堆棧式 2.0um BSI 像素，HDR高達 120 dB，其eHDR技術可節(jié)省系統(tǒng)資源，并且該傳感器在近紅外光譜中具有高量子效率，能夠在不犧牲圖像質量的前提下，減少其使用數(shù)量、降低光照強度需要、降低總體BOM成本。

eHDR的多次曝光合成是在傳感器內部進行完成的，通過內部智能擬合以及壓縮功能，可以將3次曝光的20bit數(shù)據(jù)壓縮成12bit數(shù)據(jù)，然后再傳輸給后端平臺，極大的降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬。如果采用傳統(tǒng)的HDR 數(shù)據(jù)傳輸方式，4K 3次曝光需要超過10Gbps,這對SERDES以及線纜的挑戰(zhàn)十分巨大。

通常多次曝光的傳感器會發(fā)送每一次曝光的數(shù)據(jù)給到后端處理器來進行合成，而3次曝光就需要發(fā)送3幀數(shù)據(jù)。根據(jù)計算，如果采用傳統(tǒng)的HDR 數(shù)據(jù)傳輸方式，4K 3次曝光需要超過10Gbps,這對SERDES以及線纜的挑戰(zhàn)十分巨大。

“傳統(tǒng)的多重曝光高動態(tài)范圍（HDR）成像技術是通過 MIPI 發(fā)送多重曝光數(shù)據(jù)，交給后端的ISP/SoC來進行比特位深（Bit-depth）處理，因此存在MIPI 通信鏈路帶寬有限的問題。而Hyperlux LH系列所支持的eHDR技術，則可以直接在傳感器端進行一系列計算：捕捉多重曝光（最多 3 次），每次 12-bit 數(shù)據(jù)； 合并多重曝光，生成 20-bit 合并圖像；在合并圖像上執(zhí)行自適應局部色調映射 (ALTM)，輸出 12-bit 圖像，最終實現(xiàn)傳感器輸出的高動態(tài)范圍。這樣帶來的好處是，將圖像的HDR處理放到了傳感器端，在降低對于MIPI通信鏈路帶寬的要求的同時，降低對于后端ISP/SoC計算資源的需求，使得成像速率提升，整體功耗也能夠得到降低。另外，eHDR 還可以實現(xiàn) 4K 遠程多攝像頭系統(tǒng) HDR 功能?！盝ason Wang針對eHDR技術進一步解釋到。

Hyperlux系列則支持最高動態(tài)范圍（150db）、LED 無閃爍，單次曝光可達110db HDR，具有卓越的微光性能和“一勞永逸” 的設置功能。

憑借安森美的豐富的工業(yè)CIS產品線，其成像解決方案已經(jīng)覆蓋了醫(yī)療、行車記錄儀、工業(yè)自動化、安防、車艙監(jiān)控、視頻會議、航空、機器人、XR、智能電視、筆記本電腦、運動識別、生物識別等超過25個細分應用領域。

強大的研發(fā)制造與供應鏈體系

在工業(yè)級汽車CIS市場持續(xù)取得全球第一的市場地位的背后，除了擁有領先的技術和豐富的產品線之外，安森美作為一家IDM廠商還擁有強大的遍布全球的研發(fā)與制造網(wǎng)絡。據(jù)介紹，安森美目前在全球9個國家擁有19座生產工廠，并在全球19個國家設有43個設計中心，此外還在5個國家設有解決方案工程中心，全球員工總數(shù)達到了33000人。

具體到CIS產品（包括車規(guī)級的CIS）方面，安森美擁有完整的端到端的內部制造能力，涵蓋了晶圓制造（主要是在美國紐約州的晶圓廠）、領先的色彩濾波陣列（CFA) 和微鏡技術（美國和亞洲均有200mm和300mm產能）、晶圓檢測（美國愛達荷州）、組裝（馬來西亞）、最終測試（馬來西亞）等所有關鍵環(huán)節(jié)。并且其中所涉及的關鍵技術和系統(tǒng)實現(xiàn)方面，安森美也都居于全球領先地位。

據(jù)安森美智能感知事業(yè)群工業(yè)及消費應用感知部門副總裁兼總經(jīng)理John Gerard強調，雖然安森美擁有完整的內部制造體系，但是安森美也有利用外部供應商的全球代工產能，以實現(xiàn)雙供應鏈體系，進而保障供應鏈安全。同時也能夠更好調節(jié)產能，應對市場需求的變化，為客戶提供更穩(wěn)定的供貨。